Hypermesh聯(lián)合LS-dyna對剎車制動盤仿真分析的實(shí)例

 1、前沿

 摩擦制動器工作時，運(yùn)動部件在運(yùn)動過程中，由于接觸所產(chǎn)生的摩擦?xí)沟媚Σ粮痹臏囟壬撸鴾囟壬邔Σ牧系男阅軈?shù)有影響，對摩擦副的摩擦學(xué)特性也有重要的影響，會直接影響摩擦制動器的性能，所以對摩擦制動器元件溫度場的分析在制動器的設(shè)計(jì)中具有重要的意義。在傳統(tǒng)的摩擦表面溫度場分析中，大都簡單地假設(shè)摩擦熱產(chǎn)生于相互接觸的摩擦副表面，并且人為地預(yù)先將熱流分配于相互摩擦的摩擦副的表面上，同時，熱流在兩摩擦副之間的分配是隨時間而改變的。為了更好的研究制動器元件在工作過程中的溫度場的變化，采用著名的顯示動力學(xué)計(jì)算軟件ANSYSLS-DYNA對制動器進(jìn)行熱固耦合分析。

 LS-DYNA是國際著名的非線性動力分析軟件，是功能齊全的幾何非線性（大位移，大轉(zhuǎn)動和大應(yīng)變），材料非線性和接觸非線性程序，LS-DYNA程序有二維和三維熱分析模塊，可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的熱分析，和熱固耦合分析，可以處理熱傳導(dǎo)，對流和輻射各種熱問題，在焊接，沖壓，鍛壓及碰撞過程中可方便的參考熱問題（如塑形能轉(zhuǎn)化為熱能的問題）及熱應(yīng)力問題等。摩擦制動器在工作過程中不僅有制動盤的大位移非線性，而且有制動盤和摩擦片的接觸非線性，并且隨著摩擦產(chǎn)生的熱會使得制動盤和摩擦片溫度均大幅升高，使得其材料性能參數(shù)發(fā)生變化，涵蓋了幾何非線性，接觸非線性，材料非線性等眾多非線性因素，因此選擇LS-DYNA軟件對制動器的工作原理及溫度場進(jìn)行仿真研究。

 2、制動器熱固耦合分析有限元模型

 本文利用HyperMesh作為前處理軟件，HyperMesh是一個高質(zhì)量高效率的前處理器，它提供了高度交互的可視化環(huán)境幫助用戶建立產(chǎn)品的有限元模型。其放開的架構(gòu)提供了最廣泛的CAE，CAE和CFD軟件接口，并且支持用戶自定義，從而可以與任何仿真環(huán)境無縫集成。HyperMesh強(qiáng)大的幾何清理功能可以用于修正幾何模型中的錯誤，修改幾何模型，從而提升建模效率；高質(zhì)量高效率的網(wǎng)格劃分技術(shù)可以完成全面的桿梁，板殼，四面體和六面體網(wǎng)格的自動和半自動劃分，大大簡化了對復(fù)雜幾何模型進(jìn)行仿真建模的過程。本文利用CATIA中建立的幾何模型，并且?guī)缀文Ｐ蛯?dǎo)入Hypermesh14.0，進(jìn)行幾何模型簡化，網(wǎng)格劃分，材料屬性定義，單元算法定義，邊界條件施加，載荷施加，時間步長控制以及其他熱固耦合分析參數(shù)設(shè)定等，最后導(dǎo)出K文件，利用ANSYSLS-DYNA求解器遞交求解，最后利用LSPREPOST進(jìn)行后處理結(jié)果分析。

 深圳市有限元科技有限公司是HyperMesh軟件的一級代理商，并跟進(jìn)自身工程經(jīng)驗(yàn)研發(fā)出行業(yè)適用的HyperMesh二次開發(fā)軟件，如需購買軟件或咨詢服務(wù)等請聯(lián)系在線客服，QQ：2039363860/4006046636。

 2.1有限元網(wǎng)格模型及簡化

 用幾何導(dǎo)入的方式將CATIA生成的幾何模型導(dǎo)入到Hypermesh14.0，模型如下圖所示：

圖1導(dǎo)入后的幾何模型圖

 模型上下各一個剎車片，為簡化模型，假設(shè)上下摩擦片產(chǎn)生的溫度場不會傳遞到中間層，模型采用對稱處理，對制動盤的網(wǎng)格采用完全的六面體映射網(wǎng)格，剎車片將上部不與制動盤接觸的幾何刪除，簡化網(wǎng)格劃分的難度，進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的模型如圖2所示，劃分后的模型剎車盤單元數(shù)為17280個，剎車片的單元數(shù)為2952個，單元總數(shù)為20232，節(jié)點(diǎn)數(shù)為26286個。

圖2進(jìn)行對稱處理及網(wǎng)格劃分后的有限元網(wǎng)格模型

 2.2邊界條件

 制動器熱固耦合分析采用對稱模型，對制動盤底部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行Y方向自由度的約束，采用剛?cè)狁詈系姆椒▽D(zhuǎn)盤施加恒定轉(zhuǎn)動速度。dyna在分析過程中更加注重接觸算法，基礎(chǔ)力學(xué)所分析的對像均只考慮力的受體，故輸入條件皆為外力量值。然而在真實(shí)情況下，物體受力通常是因?yàn)榕c其它的物體發(fā)生接觸（Contact）才受力，此時外力量值是無法預(yù)期的，應(yīng)該輸入的條件往往都是幾何上的接觸條件。因?yàn)橛型陚涞慕佑|力學(xué)演算方式，LS-DYNA才得以忠實(shí)的仿真現(xiàn)實(shí)環(huán)境的復(fù)雜結(jié)構(gòu)行為，剎車片和制動盤之間的力也是通過接觸產(chǎn)生的，因此給剎車片施加向下的位移，通過不斷調(diào)試剎車片向下位移大小，獲得剎車片計(jì)算得出力對應(yīng)的位移大小。

 2.3定義單元類型及材料屬性

 制動盤和剎車片主要選用8節(jié)點(diǎn)單元Solid164，單元Solid164如圖3所示。

圖3Solide164單元模型

 目前較多采用的是8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體等單元Solid164來進(jìn)行后處理分析，這種低階單元運(yùn)算速度快，并且精度很高，制動盤和剎車片單元算法均采用算法1，即缺省的常應(yīng)力單元計(jì)算公式，這種算法采用單點(diǎn)積分，需要進(jìn)行沙漏控制，是最有效和最穩(wěn)定的8節(jié)點(diǎn)體單元算法，通過關(guān)鍵字*SECTION_SOLID定義單元算法。

 由于是熱固耦合分析，材料的物性參數(shù)和熱性參數(shù)是分開定義的，即通過不同的材料關(guān)鍵字來定義，剎車片和制動盤物性材料參數(shù)采用DYNA彈塑性熱分析4號材料模型，即*MAT_ELASTIC_PLASTIC_THERMAL，定義四組不同溫度下的彈性模量，泊松比，熱膨脹系數(shù)，屈服應(yīng)力和剪切模量，熱性材料參數(shù)采用6號各向異性熱材料即*MAT_THREMAL_ISOTROPIC_TD_LC，熱性材料只需要輸入材料的密度以及比熱容和熱傳導(dǎo)率。

 剛性體采用20號材料模型，即*MAT_RIGID，定義材料的密度，彈性模量，泊松比，并在材料參數(shù)中對相應(yīng)的自由度進(jìn)行約束。

 當(dāng)定義好單元算法和材料參數(shù)后，通過*part關(guān)鍵字將單元算法和材料參數(shù)關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的part中。

 目前較多采用的是8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體等單元Solid164來進(jìn)行后處理分析，這種低階單元運(yùn)算速度快，并且精度很高，制動盤和剎車片單元算法均采用算法1，即缺省的常應(yīng)力單元計(jì)算公式，這種算法采用單點(diǎn)積分，需要進(jìn)行沙漏控制，是最有效和最穩(wěn)定的8節(jié)點(diǎn)體單元算法，通過關(guān)鍵字*SECTION_SOLID定義單元算法。

 由于是熱固耦合分析，材料的物性參數(shù)和熱性參數(shù)是分開定義的，即通過不同的材料關(guān)鍵字來定義，剎車片和制動盤物性材料參數(shù)采用DYNA彈塑性熱分析4號材料模型，即*MAT_ELASTIC_PLASTIC_THERMAL，定義四組不同溫度下的彈性模量，泊松比，熱膨脹系數(shù)，屈服應(yīng)力和剪切模量，熱性材料參數(shù)采用6號各向異性熱材料即*MAT_THREMAL_ISOTROPIC_TD_LC，熱性材料只需要輸入材料的密度以及比熱容和熱傳導(dǎo)率。

 剛性體采用20號材料模型，即*MAT_RIGID，定義材料的密度，彈性模量，泊松比，并在材料參數(shù)中對相應(yīng)的自由度進(jìn)行約束。

 當(dāng)定義好單元算法和材料參數(shù)后，通過*part關(guān)鍵字將單元算法和材料參數(shù)關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的part中。

 2.4接觸定義及求解參數(shù)設(shè)置

 制動器熱固耦合分析，剎車片和制動盤之間存在接觸，必須考慮熱接觸問題，LS-DYNA可以定義3D和2D狀態(tài)下的熱接觸問題。對于三維熱接觸，目前只能采用*CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE_THERMAL關(guān)鍵字進(jìn)行定義，定義剎車片和制動盤之間的動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)均為0.35，在兩接觸物體空隙間的導(dǎo)熱系數(shù)為40W/(m.K)，兩物體間的熱輻射因子為0.127，兩物體空隙間的熱傳導(dǎo)系數(shù)為28000W/(m.K)，最小空隙條件為1mm，最大空隙量為3mm。定義好的接觸對如圖4所示：

圖4剎車片和制動盤接觸對定義

 利用關(guān)鍵字*CONTROL_SOLUTION并取值為2，激活熱固耦合分析類型，利用*INITIAL_TEMPERATURE_SET對摩擦片和制動盤添加初始溫度邊界條件，7zhuan.cn初始溫度設(shè)為22度。通過*CONTROL_THREMAL_SOLVER定義分析類型為瞬態(tài)非線性熱分析，并添加關(guān)鍵字*CONTROL_THREMAL_NONLINEAR激活非線性分析。

 3、制動器熱固耦合后處理分析

 當(dāng)在Hypermesh中完成制動器熱固耦合前處理后，導(dǎo)出K文件，修改部分不支持的關(guān)鍵字，最后遞交到LS-DYNA971求解器進(jìn)行求解，最后利用LSPREPOST進(jìn)行后處理結(jié)果查看。

 3.1接觸力分析

 通過控制剎車片的位移，使得剎車片和制動盤之間接觸，并通過動態(tài)罰函數(shù)法求得該接觸對之間的接觸力，提供*DATABASE_RCFORC提取時間力曲線如圖5所示。

圖5剎車片和制動盤時間接觸力曲線

 由圖可以看出，施加的位移為線性，接觸力也呈線性增加的趨勢，最后調(diào)試出來的力最大數(shù)值為4699.8N，與計(jì)算所獲得的力大小基本一致，可見調(diào)試結(jié)果滿足實(shí)際工況。

 3.2制動盤溫度云圖分析

 通過lsprepost提取制動盤的不同時刻的溫度云圖如圖6所示，由圖可以看出，與剎車片接觸區(qū)域的溫度始終是整盤最高的溫度區(qū)域，處于接觸區(qū)域的徑向中間位置，7zhuan.cn并隨著剎車片的下壓，制動盤和摩擦片的溫升隨摩擦熱流的增大而一直呈上升趨勢，溫升區(qū)域逐漸向內(nèi)徑和外徑方向擴(kuò)大，溫度分布越來越分散，最后當(dāng)力達(dá)到4699。8N時，摩擦熱流和對流換熱的作用相當(dāng)，溫度達(dá)到最大值，制動盤溫度最高為153.7度

圖6制動盤不同時刻溫度云圖

 提取制動盤不同徑向方向單元，分析在分析過程中其溫度變化趨勢，提取單元如圖7所示，提取不同的單元溫度時間曲線如圖8所示，由圖可以看出，單元溫度曲線呈折現(xiàn)上升趨勢，這是因?yàn)楫?dāng)在與剎車片接觸過程中，剎車片溫度升高，在其他時間剎車片與空氣對流，溫度稍微降低，在第二次與剎車片接觸過程中又繼續(xù)升高，單元A，H處于離剎車片的內(nèi)邊緣和外邊緣，是離接觸地方最遠(yuǎn)的區(qū)域，因此溫度變化較小，其他的越靠近接觸的地方溫度升高越快。

圖7制動盤提取單元示意圖

圖8制動盤提取單元時間溫度曲線

 3.3剎車片溫度云圖分析

 提取剎車片不同時刻的溫度云圖進(jìn)行查看，7zhuan.cn如圖9所示，由圖可以看出，剎車片隨著制動過程的進(jìn)行，溫度逐漸升高，并且最高溫度位于剎車片邊緣區(qū)域，剎車片溫度最高可以達(dá)到267.2度，高于制動盤，這是因?yàn)樵谥苿舆^程中，剎車片一直處于接觸摩擦過程中，對熱換熱較小，以上分析與實(shí)際相符。

圖9剎車片不同時刻溫度云圖

 為分析不同區(qū)域剎車片的趨勢，提取如圖10所示單元在不同時刻的時間溫度曲線，如圖11所示，由圖可以看出，單元隨著制動過程的進(jìn)行，溫度不斷升高，并越靠近邊緣，溫度越高，越靠近端部溫度越低：

圖10剎車片提取單元示意圖

圖11剎車片不同位置單元溫度時間曲線

 3.4制動盤應(yīng)力云圖分析

 提取接觸后制動盤的應(yīng)力云圖如圖12所示，由圖可見，制動盤應(yīng)力較大區(qū)域也位于接觸區(qū)域，在剛?cè)狁詈蠀^(qū)域應(yīng)力也會出現(xiàn)較大，但那些區(qū)域不是本文分析對象，不予以考慮，當(dāng)制動到最大位置時，制動盤應(yīng)力最大可以達(dá)到357Mpa。

圖12制動盤不同時刻應(yīng)力云圖

 提取接觸區(qū)域一單元進(jìn)行應(yīng)力分析，提取單元應(yīng)力時程曲線如圖13所示，由圖可以看出，在接觸較少時，制動盤的應(yīng)力較小，并呈正弦波動的形式，隨著剎車片的壓入，接觸應(yīng)力逐漸增大，最大達(dá)到295.7Mpa：

圖13制動盤不同位置單元應(yīng)力時間曲線

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